[科普中國]-分布式測控系統(tǒng)

簡介

分布式測控系統(tǒng)（Distributed Measurement and Control System,DMCS）的概念有狹義和廣義之分。狹義的概念是指通過的通信媒介把分布于某個(gè)區(qū)域內(nèi)各測控節(jié)點(diǎn)，獨(dú)立完成特定功能的測量設(shè)備、測量用計(jì)算機(jī)，各種傳感器、控制器、執(zhí)行器等連接起來，以達(dá)到測量資源共享、分散操作、集中管理、協(xié)同工作、負(fù)載均衡、測控結(jié)合、時(shí)實(shí)性好、測量過程和控制過程監(jiān)控以及設(shè)備診斷等目的。廣義的概念包括狹義的概念在內(nèi)，而且還包括通過甚至實(shí)現(xiàn)對工廠車間、生產(chǎn)線、現(xiàn)場測控設(shè)備的監(jiān)視與控制等1。

系統(tǒng)模型分布式測控系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和現(xiàn)代測試技術(shù)的交叉融合發(fā)展，體現(xiàn)了合而不同的思想，所要研究的內(nèi)容很多，但又不是各種技術(shù)的簡單迭加。從分布式測控系統(tǒng)的概念和定義，可以得到一個(gè)簡化的研究模型，如圖所示。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、現(xiàn)代測試技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)是各自獨(dú)立的學(xué)科分支，具有自己的研究內(nèi)容和研究方法，將前兩者應(yīng)用于后者便產(chǎn)生了學(xué)科交叉，這便是分布式測控系統(tǒng)的研究課題。它首先是一個(gè)測試控制系統(tǒng)，測試系統(tǒng)的研究方法和內(nèi)容，如測試信息誤差的分析，對測試的響應(yīng)、靈敏度、分辨率、精度、反應(yīng)時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)的基本要求，測試平臺的構(gòu)建等控制系統(tǒng)的研究方法和內(nèi)容，如控制算法、可靠性、實(shí)時(shí)性、互操作性、安全性等這些方面仍然應(yīng)該是分布式測控系統(tǒng)的研究范疇，但由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，呈現(xiàn)出了新的特點(diǎn)，產(chǎn)生了新的問題，出現(xiàn)了如體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議等新的研究課題。具體來說，分布式測控系統(tǒng)的研究內(nèi)容有：

體系結(jié)構(gòu)（Architecture）。體系結(jié)構(gòu)決定功能，決定整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建方向。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的確定對網(wǎng)絡(luò)的性能與發(fā)展至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)確立了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的指導(dǎo)方向，它不只描繪出網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的目標(biāo)，還制定了網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的框架，具有長期的意義。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展從集中式、分層進(jìn)階式到扁平分布式?？梢灶A(yù)見測控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)也應(yīng)走計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，分布式測控系統(tǒng)是一種先進(jìn)的測控系統(tǒng)，它的先進(jìn)性首先就應(yīng)體現(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)上，現(xiàn)行的膽、參考模型體系結(jié)構(gòu)是否適合于分布式測控系統(tǒng)，有沒有更先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)這些都是值得研究的。

實(shí)時(shí)性（Real-Time）。實(shí)時(shí)性是分布式測控系統(tǒng)重點(diǎn)考慮的問題之一，測控系統(tǒng)是面向企業(yè)生產(chǎn)第一線的，實(shí)時(shí)性的研究就是要在特定的環(huán)境下，使各種設(shè)備之間的通信能夠保證測控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

性能評價(jià)（Performance evaluation）。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能評價(jià)的主要目的有三個(gè)選擇、改進(jìn)和設(shè)計(jì)。性能評價(jià)是對系統(tǒng)的行為進(jìn)行研究和優(yōu)化，其方法是對系統(tǒng)的行為進(jìn)行測量和模擬。包括按照一定的性能要求對方案進(jìn)行選擇對已有的系統(tǒng)性能缺陷和瓶頸進(jìn)行改進(jìn)并提高其運(yùn)行效率對未來設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行性能預(yù)測，在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)或配置。因此，所設(shè)計(jì)和組建的分布式測控系統(tǒng)是否滿足預(yù)期的要求，性能是否優(yōu)化，這是分布式測控系統(tǒng)性能評價(jià)所要研究的工作內(nèi)容。

協(xié)議（Protocol）。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于測控系統(tǒng)必然要研究通信協(xié)議，眾所周知通信協(xié)議是通信雙方約定的規(guī)則。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的、膽參考模型及協(xié)議棧以太網(wǎng)，令牌環(huán)網(wǎng)等長期用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，己相當(dāng)成熟，這些技術(shù)能否應(yīng)用于分布式測控系統(tǒng)，應(yīng)進(jìn)行怎樣的改造，這些都是值得研究的課題。

互操作性（Interoperability）。分布式測控系統(tǒng)由于環(huán)境的異構(gòu)性、分布性，不同廠家的設(shè)備需要具有互操作和集成的能力。

算法（Algorithm）。傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)具有自己的常規(guī)研究方法，如開環(huán)和閉環(huán)控制方法，有的適用于分布式測控系統(tǒng)，有的要進(jìn)行改進(jìn)。

安全性和可靠性（Security and Dependability）。安全性和可靠性是系統(tǒng)的根本保障，由于系統(tǒng)呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化分布式的特性，各種測試設(shè)備、控制設(shè)備的接入對分布式測控系統(tǒng)的安全性、可靠性提出了新的挑戰(zhàn)，賦予了新的內(nèi)容。這里安全性既包含測控設(shè)備的安全，又包括測控信息的安全，而系統(tǒng)的可靠性是追求的目標(biāo)。

系統(tǒng)特點(diǎn)分布式測控系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在測控領(lǐng)域的延伸及應(yīng)用，是測控系統(tǒng)的更高級發(fā)展，具有如下主要特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化。分布式測控系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)上，它支持如總線型、星型、樹型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與集中式測控、分層遞階式測控結(jié)構(gòu)相比，顯得更加扁平與穩(wěn)定。

節(jié)點(diǎn)智能化。各智能化節(jié)點(diǎn)之間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息傳輸和功能協(xié)調(diào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是組成分布式測控系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)體，且具有各自相對獨(dú)立的功能。

測控現(xiàn)場化、功能分散化。網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)使原先由中央控制器實(shí)現(xiàn)的任務(wù)放到智能化現(xiàn)場設(shè)備上執(zhí)行，使危險(xiǎn)因素得到分散，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

系統(tǒng)開放化和產(chǎn)品集成化。分布式測控系統(tǒng)的開發(fā)遵循一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，是一個(gè)開放性的系統(tǒng)，不同廠商根據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)自己的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品之間實(shí)現(xiàn)互操作和集成。

系統(tǒng)原理示意圖系統(tǒng)原理示意圖如下所示：

分類系統(tǒng)主要包含模塊分類如下：

DMC300數(shù)字主機(jī)

DM402x系列頻率測量子站

DM403x系列溫度測量子站

DM404x系列4~20mA測量子站

DM4101系列直流功率測量子站

DM4103系列交流功率測量子站

DM4105系列三相電壓測量子站

DM4107系列三相電流測量子站

DC系列分布式I/O測控子站

應(yīng)用前景智能控制—維護(hù)—管理集成系統(tǒng)90年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新概念、新方法、新技術(shù)。它以智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的手段，使企業(yè)和生產(chǎn)過程獲得高性能、高可靠和高效益。它是21世紀(jì)企業(yè)發(fā)展的方向。ICMMS以分布式的智能測量與操縱系統(tǒng)(intelligent actuation and measurement system， IAMS)為基礎(chǔ)，通過信息交換與共享，將控制、維護(hù)和技術(shù)管理系統(tǒng)(control maintenance and technical management system， CMMS)集成為一個(gè)有機(jī)整體，即ICMMS。3

應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)分布式系統(tǒng)被用在許多不同類型的應(yīng)用中。以下我們列出了一些應(yīng)用。對這些應(yīng)用而言，使用分布式系統(tǒng)要比其他體系結(jié)構(gòu)如處理機(jī)和共享存儲(chǔ)器多處理機(jī)更優(yōu)越：

并行和高性能應(yīng)用

原則上，并行應(yīng)用也可以在共享存儲(chǔ)器多處理機(jī)上運(yùn)行，但共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)不能很好地?cái)U(kuò)大規(guī)模以包括大量的處理機(jī)。HPCC（高性能計(jì)算和通信）應(yīng)用一般需要一個(gè)可伸縮的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)取決于分布式處理。

容錯(cuò)應(yīng)用

因?yàn)槊總€(gè)P E是自治的，所以分布式系統(tǒng)更加可靠。一個(gè)單元或資源（軟件或硬件）的故障不影響其他資源的正常功能。

固有的分布式應(yīng)用

許多應(yīng)用是固有分布式的。這些應(yīng)用是突發(fā)模式（burstmode）而非批量模式（bulk mode）。這方面的實(shí)例有事務(wù)處理和Internet Javad,程序。

這些應(yīng)用的性能取決于吞吐量（事務(wù)響應(yīng)時(shí)間或每秒完成的事務(wù)數(shù)）而不是一般多處理機(jī)所用的執(zhí)行時(shí)間。

對于一組用戶而言， 分布式系統(tǒng)有一個(gè)特別的應(yīng)用稱為計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作（Computer Supported Cooperative Working，CSCW）或群件（groupware）， 支持用戶協(xié)同工作。另一個(gè)應(yīng)用是分布式會(huì)議， 即通過物理的分布式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電子會(huì)議。同樣，多媒體遠(yuǎn)程教學(xué)也是一個(gè)類似的應(yīng)用。

由于在不同的平臺上如：Pc、工作站、局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)上可獲得非常多樣的應(yīng)用，用戶希望能超出他fliP c的限制以獲得更廣泛的特實(shí)用、功能和性能。不同網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境（包括分布式系統(tǒng)環(huán)境）下的q 操作性變得越來越重要。為了達(dá)到互操作性，用戶需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的分布式計(jì)算環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境里，所有系統(tǒng)和資源都可用。

DCE（分布式計(jì)算環(huán)境）是OSF（開放系統(tǒng)基金會(huì)）開發(fā)的分布式計(jì)算技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)集。它提供保護(hù)和控制對數(shù)據(jù)訪問的安全服務(wù)、容易尋找分布式資源的名字服務(wù)、以及高度可伸縮的模型用于組織極為分散的用戶、服務(wù)和數(shù)據(jù)。D C E可在所有主要的計(jì)算平臺上運(yùn)行， 并設(shè)計(jì)成支持異型硬件和軟件環(huán)境下的分布式應(yīng)用。

DCE已經(jīng)被包括TRANSVARL在內(nèi)的一些r一商實(shí)現(xiàn)。TRANSVARL是最早的多廠商組（multi vendor team）的成員之一，它提出的建議已成為DCE體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在中可以找到利用DCE開發(fā)分布式應(yīng)用的指南。具有標(biāo)準(zhǔn)接口和協(xié)議的系統(tǒng)也叫做開放系統(tǒng)。